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        <center>
实际应用开发中，系统中最常见的功能需求就是任务和任务间相互传递信息，以及中断服务函数向任务传递信息（例如通知任务发生了按键事件）。并且，需要传递的信息往往很短，例如一个数值或者一个事件标记。 FreeRTOS为这种任务间简短数据传递，提供了一个轻量级的任务通信功能——task notification。
</center>


<span id="more"></span>

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<h4 id="1-什么是-Task-Notification"><a href="#1-什么是-Task-Notification" class="headerlink" title="1 什么是 Task Notification"></a>1 什么是 Task Notification</h4><p>到目前为止，FreeRTOS提供的任务和任务间传递信息，以及中断服务函数和任务传递信息的工具，我们介绍了<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/12/08/FreeRTOS-queue-internal-details/">消息队列</a>，<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/12/15/FreeRTOS-use-binary-semaphore/">信号量</a>，和<a href="https://fengxun2017.github.io/2023/01/13/FreeRTOS-event-group/">event group</a>。</p>
<p>通过这些工具传递信息，都需要先创建一个通信对象（<code>消息队列</code>对象、<code>信号量</code>对象、<code>event group</code>对象），再使用该通信对象作为信息传递的媒介。 这些通信对象都有各自的内核控制结构，因此需要额外的内存资源。此外，信息传递，都是通过这些通信媒介来中转，并传递到最终的接收任务。<br>当然，虽然使用这些通信对象来传递信息，消耗了额外的内存资源，并且引入了额外的开销（信息中转过程消耗），但这些工具都提供了丰富的功能和灵活性，可以应对很多开发需求。</p>
<p>但另一方面，实际开发中，遇到的大多需求往往只需要向任务传递一个简短的信息（例如单个数值，或一个事件标志）。针对这种情况，FreeRTOS提供了<code>Task Notification</code>，该功能不需要额外的通信对象作为媒介来传递信息，信息会直接发送给目标任务。<strong>因此，Task Notification 占用的内存资源更少（不需要额外通信对象），信息传递的效率也更高（信息直接发送给目标任务，不需中转）</strong>。</p>
<p>使用通信对象（<code>消息队列</code>对象、<code>信号量</code>对象、<code>event group</code>对象）传递信息，和使用<code>Task Notification</code>传递信息的区别如下图所示：<br><img src="/2023/02/07/FreeRTOS-task-notification/overview-task-notification.png"><br>从上图也能看出，使用通信对象来传递信息时，发送方只需要知道通信对象的句柄（一个唯一识别某个通信对象的标识，例如<code>信号量</code>句柄，<code>消息队列</code>句柄），因为信息是发送给通信对象的，发送方并不关心（也看不到）最终信息的接收方是谁。<br>而基于<code>Task Notification</code>的方式传递信息，信息是直接发送给目标任务的，因此发送方需要知道目标任务的任务句柄（一个唯一识别某个任务的标识），并在发送信息时指定发送给该任务。</p>
<h4 id="2-内核是如何实现-Task-Notification-的"><a href="#2-内核是如何实现-Task-Notification-的" class="headerlink" title="2 内核是如何实现 Task Notification 的"></a>2 内核是如何实现 Task Notification 的</h4><p>在内核中，每个任务都有一个任务控制块，其中存储了任务自身相关的控制信息。例如，本任务的优先级，本任务的任务栈的栈顶指针，本任务名称等。</p>
<p>使用<code>Task Notification</code>时，信息是直接发送给目标任务的，目标任务需要有一个“地方”用来存储这个信息。因此，内核在任务控制块结构中添加了两个成员：</p>
<ul>
<li>uint32_t <strong>ulNotifiedValue</strong> ：用来存储接收到的信息。因为是uint32_t，因此信息大小不能超过4字节。</li>
<li>uint8_t <strong>ucNotifyState</strong>：用来指示状态的。例如任务是正在等待notify，还是已经收到了notify。</li>
</ul>
<p>如下所示：<br><img src="/2023/02/07/FreeRTOS-task-notification/task-control-struct.png"></p>
<p>根据上述定义，使用<code>Task Notification</code>只可以使用4字节（uint32_t）的存储区。</p>
<p>在FreeRTOS内核版本10.4开始（对应新的版本命名方式是——FreeRTOSv202112.00），<code>Task Notification</code>的数据存储区被设定为<strong>可配置大小的数组</strong>，如下所示:</p>
<ul>
<li>uint32_t <strong>ulNotifiedValue</strong> [ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ]</li>
<li>uint8_t <strong>ucNotifyState</strong> [ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ]</li>
</ul>
<p>其中，<code>configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES</code>可配置，默认值为1，保持和之前兼容。</p>
<p>对应的，<code>Task Notification</code>提供了具有<code>index</code>参数的API，使得可以访问 <code>ulNotifiedValue[]</code>数组中的某个值。例如，数组第0个值用来作为数值信息（存储其它任务发送来uint32_t数据），数组第1个值用来作为某个事件的标记（存0或1，例如存储中断处理函数发送过来的按键事件）。</p>
<p>为了方便起见，后文所述的 Task Notification，我们都只使用数组的第0个值。</p>
<h5 id="2-1-任务等待信息"><a href="#2-1-任务等待信息" class="headerlink" title="2.1 任务等待信息"></a>2.1 任务等待信息</h5><p>作为信息接收方，当我们等待某个其它任务（或中断处理函数）向我们发送信息时。内核会判断当前是否存在“有效”数据，如果没有“有效”数据，就会将本任务阻塞（不在消耗cpu资源），直到超时或者收到数据。</p>
<p><code>Task Notification</code>提供了2个等待通知的API 接口：<code>ulTaskNotifyTake</code> 和 <code>xTaskNotifyWait</code>其中：</p>
<ul>
<li><p>ulTaskNotifyTake：是根据前文提到的 <strong>ulNotifiedValue</strong> 的值是否大于0，来判断是否接收到有效数据（因此，发送方发送0是无效的）。这个API是为了使 <code>Task Notification</code>在常见的使用场景（例如单个任务等待某个信号量）下可以替代<code>信号量</code>（<code>信号量</code>的特性是大于0，表示可用）。</p>
</li>
<li><p>xTaskNotifyWait：是根据前文提到的 <strong>ucNotifyState</strong> 状态指示（接收中，还是已收到），来判断是否有效数据。这个API 就是更通用的用来接收数据的api（例如，与上面的ulTaskNotifyTake相比，可以发送数值0）。通过该API，可以在一些情况下使用<code>task notify</code>替代<code>event group</code>甚至<code>消息队列</code>（少量数据时，例如4个字节，可以存在uint32_t中）</p>
</li>
</ul>
<p>当没有有效数据时，当前任务调用<code>ulTaskNotifyTake</code>（或<code>xTaskNotifyWait</code>）时就会进入阻塞态，等待数据到来（当设置了等待超时参数时），内部实现就是当前任务被从就绪任务链表（ReadyTask）中移出，并加入到延迟任务链表（DelayedTask）中。如下图所示：<br><img src="/2023/02/07/FreeRTOS-task-notification/wait-data.png"><br>PS：涉及到的多个任务队列，如果不了解，可以参考这篇文章<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/11/01/FreeRTOS-task-status-management/">FreeRTOS的任务调度和管理</a>。将任务加入到延迟任务链表（DelayedTask）中，就是让任务暂时不再参与内核任务调度（不再消耗cpu资源），直到设置的超时时间到达后，内核会再将该任务从延迟任务链表（DelayedTask）中移出，并重新加入到就绪任务链表（ReadyTask）中。</p>
<h5 id="2-2-向任务发送信息"><a href="#2-2-向任务发送信息" class="headerlink" title="2.2 向任务发送信息"></a>2.2 向任务发送信息</h5><p>如前文所述，<code>Task Notification</code>提供的发送功能，需要明确指定数据是发送给哪个任务的。<br>例如，发送API <code>xTaskNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify, ...)</code> 的第一个参数，就是目标任务的句柄（唯一识别一个任务的标识）。<br>当某个任务（或中断处理函数）调用发送API发送信息后，会将数据直接写到目标任务的任务控制块中的 <strong>ulNotifiedValue</strong>（根据参数有不同的写入方式，例如，只更新部分位）。如果目标任务此时正在等待数据，则内核会将其从<code>DelayedTask</code>任务链表中移出，并重新加入到<code>ReadTask</code>任务链表中（恢复为就绪状态，如果任务优先级是当前最高的，则会被内核调度）。如下图所示：<br><img src="/2023/02/07/FreeRTOS-task-notification/send-data.png"></p>
<h4 id="总结"><a href="#总结" class="headerlink" title="总结"></a>总结</h4><p>FreeRTOS提供 <code>Task Notification</code>的初衷，是为了在很多常见的开发场景中，使用<code>Task Notification</code>来替换<code>信号量</code>，<code>event group</code>，甚至 <code>消息队列</code>（少量数据时，例如4个字节）。因此，如果传递信息的方式可以用<code>Task Notification</code>来实现，就尽量使用<code>Task Notification</code>。总的来说，<code>Task Notification</code>和其它信息传递方式相比，优缺点如下：</p>
<p>使用<code>Task Notification</code>的优势：</p>
<ul>
<li><strong>效率高</strong>：信息传递是直接发送给目标任务的，没有额外通信对象在中间中转的过程。</li>
<li><strong>内存占用少</strong>：<code>信号量</code>、<code>event group</code>、<code>消息队列</code>这些信息传递方式，都需要创建一个通信对象，这个对象中除了包含要传递的信息，还存在额外的控制&#x2F;状态信息。 而<code>Task Notification</code>没有作为媒介的通信对象，因此不需要付出这些额外的内存开销。</li>
</ul>
<p>使用<code>Task Notification</code>与其它几个信息传递方式相比的限制：</p>
<ul>
<li><strong>不能在中断处理函数中接收数据</strong>：原因很直观，使用<code>Task Notification</code>，数据的接收方必须是接收信息的目标任务（数据是直接发送到目标任务的任务控制块中存储的），而中断是和任务无关的。 相比之下，中断处理函数中可以调用<code>信号量</code>、<code>event group</code>、<code>消息队列</code>的接收数据 API（带FromISR后缀的）</li>
<li><strong>信息接收方只有一个，就是目标任务</strong>：<code>Task Notification</code>的信息发送就是直接发送给目标任务，因此接收方只有一个。而使用<code>信号量</code>、<code>event group</code>、<code>消息队列</code>时，信息是发送到通信对象上的，任意的其它任务或中断处理函数都可以从该通信对象上提取数据（前提是知道该通信对象的句柄）。</li>
<li><strong>与消息队列相比，Task Notification没有消息缓存功能</strong>：<code>消息队列</code>在创建时可以指定队列大小 N，如果信息接收方无法立刻处理消息，只要消息个数没超过 N，它们都可以缓存在<code>消息队列</code>中，供接收方慢慢消费。而<code>Task Notification</code>的发送消息，是直接修改目标任务的任务控制块中的 <strong>ulNotifiedValue</strong>，不具备消息缓存功能。</li>
<li><strong>与 event group相比，不具备广播特性</strong>：<code>event group</code>一个独有的特性是，每当设置event group中的某个“事件”（event group中的某个位）时，内核会遍历所有等待在该event group上的任务，依次检查本次设置是否使得任务等待的条件满足了，满足了就会将任务恢复为就绪态。而<code>Task Notification</code>是直接发给单个目标任务的，不具有广播特性。</li>
</ul>
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      <strong>本文作者： </strong>feng xun
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      <strong>本文链接：</strong>
      <a href="http://fengxun2017.github.io/2023/02/07/FreeRTOS-task-notification/" title="FreeRTOS-Task Notification">http://fengxun2017.github.io/2023/02/07/FreeRTOS-task-notification/</a>
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